(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交周波数分割多重(OFDM)チャネルについてのチャネルフィードバックを行うために受信側の通信局が実行する方法であって、
時間及び周波数の少なくとも一方に関してチャネル情報についての再帰的な差分量子化を実行し、差分量子化ビームフォーミング行列を含む差分量子化チャネルフィードバック信号を生成するステップと、
複数入力複数出力(MIMO)送信のプリコーディングに使用される前記差分量子化チャネルフィードバック信号を送信側の通信局に送信するステップと
を有し、前記差分量子化ビームフォーミング行列を生成する際に、
初期リファレンスビームフォーミング行列を中心としてその周りに差分コードブックの初期ビームフォーミング行列を回転させることで、量子化されたビームフォーミング行列の一群の候補を生成し、前記一群の候補の中から選択された前記ビームフォーミング行列を、現在のサブキャリアに隣接する次のサブキャリアについての後続の反復計算のための改善されたリファレンス行列として使用する、方法。
【請求項２】
前記MIMO送信は、シングルユーザMIMO送信、マルチユーザMIMO送信又は協調MIMO送信のうちの何れかであり、
前記差分量子化ビームフォーミング行列は各行列について2ないし21ビットを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記差分量子化チャネルフィードバック信号を生成する前記ステップにおいて、
周波数領域における第１のサブキャリアについてのチャネル行列を正規化し、差分コードブックを利用して、前記第１のサブキャリアについての正規化された前記チャネル行列と初期リファレンス行列との間の差分を再帰的に量子化する、或いは
チャネルの振幅に合うように前記差分コードブックをスケーリングし、スケーリングされた前記差分コードブックを利用して、前記第１のサブキャリアについての前記チャネル行列と初期リファレンス行列との間の差分を再帰的に量子化する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記差分を再帰的に量子化する際に、
前記第１のサブキャリアについての前記チャネル行列と以前に更新したリファレンス行列との間の差分に基づいて複数の反復計算についての前記初期リファレンス行列を反復的に更新し、改善されたリファレンス行列を求め、
後続の改善されたリファレンス行列各々と前記チャネル行列との間の差分を量子化し、前記第１のサブキャリアについての量子化インデックスを生成し、
前記初期リファレンス行列は、最初、一定の行列である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
現在のサブキャリアについての前記チャネル行列のチャネル行列要素と先行するサブキャリアについて再構築されたチャネル行列要素との間の差分を量子化し、前記送信側の通信局にフィードバックする前記現在のサブキャリアについての量子化インデックスを生成するステップを更に有する請求項３に記載の方法。
【請求項６】
周波数に関して差分量子化を行う場合に、前記現在のサブキャリア及び前記先行するサブキャリアが、隣接していないサブキャリアでありかつ１つ以上の介在するサブキャリアだけ隔たっており、
当該方法において、前記介在するサブキャリアについての差分量子化は行われない、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
サブキャリアの後続サンプルについて時間に関して差分量子化を実行するステップを更に有する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
64QAMコンステレーションの従来の量子化コードブックを利用して、前記第１のサブキャリアについて前記チャネル行列を行列要素毎に最初に量子化するステップを更に有する請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記差分量子化ビームフォーミング行列を生成する際に、
前記ビームフォーミング行列の候補のうち少なくともいくつかのパフォーマンスを評価し、
評価された前記パフォーマンスに基づいて前記ビームフォーミング行列の候補の何れかを選択する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記差分量子化ビームフォーミング行列を生成するために周波数に関して差分量子化が実行され、
当該方法は、前記次のサブキャリアについての差分量子化の後続の反復計算のための改善されたリファレンス行列として、前記選択されたビームフォーミング行列の候補を使用するステップを有し、
前記次のサブキャリアは先行するサブキャリアから１つ以上の介在するサブキャリアだけ離れている、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記差分量子化ビームフォーミング行列を生成するために時間に関して差分量子化が実行され、
当該方法は、前記選択されたビームフォーミング行列の候補を、同じサブキャリアの後続サンプルについての差分量子化の後続の反復計算のための改善されたリファレンス行列として使用するステップを有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記送信側の通信局に送信するための前記差分量子化ビームフォーミング行列を含むフレームに巡回冗長検査(CRC)を付加するステップを更に有する請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記MIMO送信が、前記送信側の通信局から２つ以上の受信側の通信局に空間的に分離されたデータパケットが同時に送信されるマルチユーザMIMO送信であり、
前記空間的に分離されたデータパケットの各々は、受信側の通信局により提供された差分量子化チャネルフィードバックに基づいて、受信側の通信局のうち関連する通信局により受信されるようにプリコーディングされている、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
直交周波数分割多重(OFDM)チャネルによる複数入力複数出力(MIMO)通信のためにチャネルフィードバックを行うように形成された受信側の通信局であって、
時間及び周波数の一方に関してチャネル情報の差分を再帰的に量子化し、差分量子化ビームフォーミング行列を含む差分量子化チャネルフィードバック信号を生成する差分量子化回路と、
当該受信側の通信局による後続の受信のために、MIMO送信のプリコーディングに使用される前記差分量子化チャネルフィードバック信号を送信側の通信局に送信する回路と
を有し、前記差分量子化ビームフォーミング行列を生成する際に、前記差分量子化回路は、初期リファレンスビームフォーミング行列を中心としてその周りに差分コードブックの初期ビームフォーミング行列を回転させることで、量子化されたビームフォーミング行列の一群の候補を生成し、前記一群の候補の中から選択された前記ビームフォーミング行列を、現在のサブキャリアに隣接する次のサブキャリアについての後続の反復計算のための改善されたリファレンス行列として使用する、通信局。
【請求項１５】
前記差分量子化回路が、
周波数領域における第１のサブキャリアについてのチャネル行列を正規化し、差分コードブックを利用して、前記第１のサブキャリアについての正規化された前記チャネル行列と初期リファレンス行列との間の差分を再帰的に量子化する、或いは
チャネルの振幅に合うように前記差分コードブックをスケーリングし、スケーリングされた前記差分コードブックを利用して、前記第１のサブキャリアについての前記チャネル行列と初期リファレンス行列との間の差分を再帰的に量子化する、請求項１４に記載の通信局。
【請求項１６】
前記差分量子化回路は、前記差分を再帰的に量子化する際に、
前記第１のサブキャリアについての前記チャネル行列と以前に更新したリファレンス行列との間の差分に基づいて複数の反復計算についての前記初期リファレンス行列を反復的に更新し、改善されたリファレンス行列を求め、
後続の改善されたリファレンス行列各々と前記チャネル行列との間の差分を量子化し、前記第１のサブキャリアについての量子化インデックスを生成し、
前記初期リファレンス行列は、最初、一定の行列である、請求項１５に記載の通信局。
【請求項１７】
前記差分量子化回路は、現在のサブキャリアについての前記チャネル行列のチャネル行列要素と先行するサブキャリアについて再構築されたチャネル行列要素との間の差分を量子化し、前記送信側の通信局にフィードバックする前記現在のサブキャリアについての量子化インデックスを生成する、請求項１５に記載の通信局。
【請求項１８】
前記差分量子化ビームフォーミング行列を生成する際に、前記差分量子化回路は、
前記ビームフォーミング行列の候補のうち少なくともいくつかのパフォーマンスを評価し、
評価された前記パフォーマンスに基づいて前記ビームフォーミング行列の候補の何れかを選択する、請求項１４に記載の通信局。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施の形態はワイヤレスフィデリティ(WiFi)通信を含む無線通信に関連する。実施の形態は複数入力複数出力(MIMO)通信に関連し、MIMO通信はシングルユーザMIMO(SU-MIMO)、マルチユーザMIMO(MU-MIMO)及び協調MIMO(cooperative  MIMO)等の通信を含む。実施の形態はIEEE802.11ac次世代標準規格のようなIEEE802.11標準規格の何れかに従って動作するMU-MIMOシステムに関連する。
【背景技術】
【０００２】
MIMO通信は、送信機及び受信機双方で複数のアンテナを活用して通信パフォーマンスを改善する。SU-MIMOシステムは2つ以上のアンテナを用いて1つの通信局との間で信号を送受信するが、MU-MIMOシステムは2つ以上のアンテナと共に複数の空間チャネルを利用して複数の通信局との間で同時に信号を送受信する。MU-MIMOシステムでは、異なる通信局の信号が異なる空間チャネルで送信されるようにプリコード又はプリコーディングされる。プリコーディング(precoding)は受信側の通信局が自身宛のデータを分離できるようにする。MU-MIMO送信信号をプリコーディングする際、チャネル行列又はビームフォーミング行列のようなチャネル情報のフィードバックが利用される。このチャネルフィードバックに伴う問題の1つは、送信側の通信局にフィードバックを送信する際のオーバーヘッド量が多いことである。こうしたフィードバックのサイズに起因して、達成可能なチャネルスループットが減少してしまうかもしれない。フィードバックに伴う別の問題はチャネルフィードバックを生成することに関する処理負担である。フィードバックの生成及び送信が、通信局の電力消費を増やしてしまうのである。
【０００３】
従って、MIMO通信のチャネルフィードバックを効率的に行う通信局及び方法が一般的に必要とされている。また、チャネルオーバヘッド及び処理負担の双方を削減できる効率的なチャネルフィードバックを行う通信局及び方法も必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
開示される発明の課題は、MIMO通信におけるチャネルフィードバックを効率的に行う方法及び装置等を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
開示される発明による方法は、
直交周波数分割多重(OFDM)チャネルについてのチャネルフィードバックを行うために受信側の通信局が実行する方法であって、
時間及び周波数の少なくとも一方に関してチャネル情報についての再帰的な差分量子化を実行し、差分量子化チャネルフィードバック信号を生成するステップと、
複数入力複数出力(MIMO)送信のプリコーディングに使用される前記差分量子化チャネルフィードバック信号を送信側の通信局に送信するステップと
を有し、前記差分量子化チャネルフィードバック信号は、差分量子化チャネル行列及び差分量子化ビームフォーミング行列のうち一方を含む、方法である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施の形態によるベーシックサービスセット(BSS)を示す図。
【図２】実施の形態による送信側の通信局及び受信側の通信局を示す図。
【図３】様々なチャネルフィードバック方法によるチャネル容量の比較例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下の説明及び図面は当業者が本発明を実施できる程度に十分に実施の形態を示している。他の実施の形態は、構造的、論理的、電子的、プロセス的及びその他の観点からの変形例を含む。ある実施の形態における一部分及び特徴は別の実施の形態に包含されてもよいし或いは別の実施の形態におけるものと置換されてもよい。特許請求の範囲に包含される実施の形態は特許請求の範囲に関して利用可能な全ての均等物を包含する。
【０００８】
図１は実施の形態によるBSSを示す。BSS100はアクセスポイント(AP)102及び関連付けられた複数の通信局(STA)104を含む。実施の形態において、アクセスポイント102はMIMO方式を利用して1つ以上の通信局104にデータフレームを送信するように形成されている。実施の形態においてデータフレームはMIMO送信信号105であってもよい。MU-MIMOの実施の形態の場合、データフレームはMU-MIMO送信信号であってもよく、MU-MIMO送信は、空間的に分離されたデータパケットを少なくともいくつかの通信局104に同時送信することを含む。空間的に分離されたデータパケットは、同一周波数スペクトルで同時に送信された複数の個別的なデータパケットを含む。データパケットの各々は受信局による受信のために個別的にプリコーディングされる。MU-MIMO通信は、ダウンリンク空間分割多重接続(DL-SDMA)方式を使用してもよい。
【０００９】
実施の形態では、オーバーヘッド及び複雑さを減らすために、隣接チャネル行列同士又はビームフォーミング行列同士の間の相関が活用される。通信局104はチャネルフィードバック103をアクセスポイント102に提供し、アクセスポイント102がMIMO送信105のデータパケットをプリコーディングできるようにする。チャネルフィードバックは、チャネル状態情報又はビームフォーミング情報の何れかを含む量子化された差分チャネルフィードバック又は差分量子化チャネルフィードバック(quantized  differential  channel  feedback)により形成されてもよい。差分量子化チャネルフィードバックは時間に関して又は周波数に関して差分量子化されてもよい。一実施形態では、差分量子化チャネルフィードバックは時間及び周波数の双方に関して差分量子化されている。チャネルフィードバックに関するこの差分量子化(differential  quantization)は、特にMU-MIMO通信に関するフィードバック量を顕著に削減する。以下、これらの実施の形態を詳細に説明する。
【００１０】
IEEE802.11nシステムのような従来のシステムに関する問題の1つは差分量子化が一切行われていないことであり、概してチャネル及びビームフォーミング行列がサブキャリア毎に独立に量子化されている。従ってサブキャリア間の相関は無視されている。一実施形態では、フィードバックオーバーヘッド及び量子化の負担を減らすためにサブキャリア間の相関が使用される。一実施形態では、僅かにオーバーヘッドを大きくすることを犠牲にして量子化の負担を軽減するために、単独のサブキャリアにも差分量子化が適用される。以下、これらの実施の形態を詳細に説明する。
【００１１】
MU-MIMO送信信号を形成する空間的に分離されたデータパケットは、同一の周波数チャネルで同時に送信されてもよく、同一の周波数チャネルは直交周波数分割多重(OFDM)方式における同じ周波数サブキャリアの部分であってもよい。各々のデータパケットは、何れかの通信局104に宛てられかつ何れかの通信局104により受信されるように処理される。これらの実施形態では、個々のデータパケットが同じ時間に送信されかつ各々のデータパケットが異なる空間チャネルで送信されてもよい。これらの実施形態では、MU-MIMO送信信号のデータパケットは、通信局の各々が提供した差分量子化チャネルフィードバックに基づいて、何れかの通信局により受信されるように個別にプリコーディングされる。
【００１２】
一実施形態では、アクセスポイント102から2つ以上のストリームがMU-MIMO方式で送信されてもよい。各々のストリームは1つ以上の通信局104により受信されるようにプリコーディングされたパケットを有する。別の実施の形態では、SU-MIMO方式で1つのストリームが1つの通信局104に送信される。
【００１３】
一実施形態では、複数のOFDMサブキャリアを形成する1つの周波数チャネルが、MIMO送信信号105を送信するために使用される。IEEE802.11acの実施形態の場合、プライマリ周波数チャネルと7つ以内のセカンダリ周波数チャネルとがMIMI送信信号105を送信するのに使用される。周波数チャネルの各々は例えば20MHzの周波数チャネルであってもよく、所定のOFDMサブキャリア群を使用してもよい。
【００１４】
BSS100におけるアクセスポイント102及び通信局104は、IEEE802.11の衝突回避式キャリアセンス多重接続(CSMA/CA)のようなキャリアセンス多重接続法(CAMA)を無線媒体にアクセスする際に実行してもよい。一実施形態では、MIMO送信信号105は、CSMA/CA方式により、単独のフレームとしてアクセスポイント102から送信される。アクセスポイント102は、データパケットを受信したことを示す送達確認信号又はブロックアクノリッジメント(Block  Acknowledgements：BA)のような送達確認信号を、通信局104からそれぞれ受信する。送達確認信号は、MIMO送信信号105の受信に応じて、CSMA/CA方式に従って同じ周波数チャネルで通信局104から送信される。
【００１５】
MIMO送信信号105は、1つ以上のトレーニングフィールド及び1つ以上のシグナリングフィールド(通知フィールド)を特に含む単独のフレームであってもよい。MIMO送信信号105は、IEEE802.11ac次世代標準規格のようなIEEE802.11標準規格に従って形成されていてもよい。
【００１６】
一実施形態では、アクセスポイント102及び通信局104はMIMO通信用に4本以下又はそれ以上のアンテナを使用してもよい。一実施形態では、アクセスポイント102及び通信局104はMIMO通信のために差分量子化チャネル情報を使用する。別の実施形態では、アクセスポイント102及び通信局104はMIMO通信のために差分量子化ビームフォーミング情報を使用する。
【００１７】
一実施形態における通信局104は固定無線通信装置又は移動無線通信装置であってもよく、例えば通信局104はパーソナルディジタルアシスタント(PDA)、無線通信機能を備えたラップトップ又は携帯用コンピュータ、スマートフォン、ウェブタブレット、無線電話機、ワイヤレスヘッドセット、ページャ、インスタントメッセージ装置、ディジタルカメラ、アクセスポイント、テレビジョン、医療装置(例えば、心拍モニタ、血圧モニタ等)又は情報を無線で受信及び/又は送信するその他の装置である。アクセスポイント102及び通信局104は、本願で説明される動作を実行するためのいくつもの個別的な機能要素(例えば、無線トランシーバ、処理回路及びメモリ等を含む)を有する。複数の機能要素が組み合わせられてもよく、1つ以上の機能要素が、ディジタル信号プロセッサ(DSP)を含む処理要素のようなソフトウェアで形成された要素の組み合わせ、及び/又はその他のハードウェア要素の組み合わせにより実現されてもよい。例えば、そのような要素は、1つ以上のマイクロプロセッサ、DSP、特定用途向け集積回路(ASIC)、無線周波数集積回路(RFIC)、少なくとも本願で説明される機能を実行する様々なハードウェア及び論理回路の組み合わせを含んでもよい。
【００１８】
図2は実施の形態による送信側の通信局及び受信側の通信局を示す。送信側の通信局202はアクセスポイント102(図1)又は何れかの通信局104(図1)として使用するのに適している。受信側の通信局204もアクセスポイント102(図1)又は何れかの通信局104(図1)として使用するのに適している。送信側の通信局202は、受信側の通信局204のような1つ以上の受信側の通信局への送信のためにMIMO送信信号105をプリコーディングするように形成され、受信側の通信局204は、MIMO送信信号105をプリコーディングするのに使用されるチャネルフィードバックを送信側の通信局に提供するように形成されている。一実施形態におけるチャネルフィードバックは差分量子化チャネル行列を含む。別の実施形態におけるチャネルフィードバックは差分量子化ビームフォーミング行列を含む。
【００１９】
送信側の通信局202は、特に、チャネルフィードバックに基づいて1つ以上の受信側の通信局への送信信号をプリコーディングするプリコーディング回路206を含んでいてもよい。以下において詳細に説明するように、チャネルフィードバックは差分量子化チャネル行列又は差分量子化ビームフォーミング行列を含む。一実施形態において、チャネル行列又はビームフォーミング行列は周波数に関して(例えば、2つ以上のサブキャリアに関して)差分量子化される。別の実施の形態において、チャネル行列又はビームフォーミング行列は時間に関して(例えば、異なる時間に取得された時間サンプルに関して)差分量子化される。別の実施の形態では、フィードバックを更に減らすために、チャネル行列又はビームフォーミング行列は、周波数及び時間の双方に関して差分量子化される。
【００２０】
受信側の通信局204は、特に、送信側の通信局202が送信した信号に基づいてチャネル推定又はチャネル状態情報をチャネル行列の形式で生成するチャネル推定部208を含んでいてもよい。受信側の通信局204は差分量子化回路210も有し、差分量子化回路210は、チャネルフィードバック103として送信側の通信局202に送信するために本願で説明されているような差分量子化チャネル行列又は差分量子化ビームフォーミング行列を生成する。受信側の通信局204は物理レイヤ回路も有し、物理レイヤ回路は、受信側の通信局204が以後受信するMIMO送信信号105に含まれる情報をプリコーディングするのに使用される差分量子化チャネルフィードバック103を送信側の通信局202に送信する。
【００２１】
OFDMシステムの場合、一般に、たとえサブキャリアが離散的な4つのサブキャリアであったとしても、隣接するサブキャリアのチャネル行列同士の間だけでなく隣接するサブキャリアのビームフォーミング行列同士の間にも強い相関が生じる。実施の形態はこの周波数方向の相関を活用し、差分量子化を行うことでフィードバックオーバーヘッド及び量子化演算負担を減らす。ある実施形態はチャネル行列フィードバックに関する相関を使用し、別の実施の形態はビームフォーミング行列フィードバックに関する相関を使用する。
【００２２】
差分量子化を行うこれらの実施の形態では、量子化のための入力が基準値又はリファレンスと比較され、入力とリファレンスとの間の差分が計算されて量子化される。入力を再構築するには、差分量子化されたものがリファレンスと組み合わせられる。一実施形態では、差分量子化は精度を向上させるために再帰的に行われる。これらの実施形態において再構築された入力は、残留差分(residual  difference)を計算するための改善されたリファレンスとして使用される。そして、残留差分は、更に改善されたリファレンスを構築するために再び量子化される。
【００２３】
チャネル行列又はビームフォーミング行列の何れかに関する差分量子化を行う実施の形態において、現在の行列と以前の行列との間の差分が量子化され、受信側の通信局204から送信側の通信局202にフィードバックされる。差分は、通常、隣接するサブキャリア同士の間では小さいので、量子化の演算負担及びフィードバックオーバーヘッドは小さくなる。
【００２４】
一実施形態では、チャネル行列又はビームフォーミング行列の何れかについての完全量子化(full  quantization)が実行され、送信側の通信局202にフィードバックされてもよい。以後の差分フィードバックのコードブックによらず或る量子化コードブックを用いて完全量子化が実行されてもよいが、完全量子化は差分量子化を再帰的に適用することで実行可能である。これらの実施の形態において、固定的な行列又は一定の行列(例えば、全てがゼロである行列、恒等行列の第1列(を反復した行列))が初期リファレンスとして使用されてもよい。初期リファレンス及び入力行列の間の差分を量子化して改善されたリファレンスを得るために差分コードブックが使用される。改善されたリファレンス及び行列の間の差分は何回かの反復(例えば、2-4回の反復)により再帰的に量子化される。入力行列を再構築するために量子化インデックスが送信側の通信局202にフィードバックされてもよい。
【００２５】
＜チャネル行列の差分量子化＞
チャネル行列のフィードバックはIEEE802.11nで規定されているが、それを行うためのフィードバックオーバーヘッド量は多い(例えば、4×2の40MHzのMIMOチャネルの場合、3000ビット)。実施の形態によれば、このフィードバックは、追加的な演算負担を伴うことなく僅かなハードウェアの変更により3分の1以下に減少する。実施の形態では、チャネル行列の各行列要素について周波数に関して差分量子化が適用される。従ってチャネル行列全体のジョイント量子化(joint  quantization)は不要である。
【００２６】
例えば、f番目のサンプリングされたサブキャリアについてのチャネル行列のi行j列の要素又はエントリは、hij(f)のように記される。hij(f)(f=0,．．．,F)に関し、差分量子化は次のように行われる。
【００２７】
１．チャネル行列の正規化又は規格化：一実施形態では、周波数領域で測定されたN×M型のチャネル行列が正規化される。一実施形態では、サンプリングされた隣接するサブキャリア間のチャネル変動の大きさの平均が、チャネル行列の正規化に使用されてもよい。簡明化のため、チャネル行列は第1のサブキャリアのチャネル統計値(例えば、平均電力)に応じて正規化されてもよい。別の実施の形態では、チャネル行列を正規化するのではなく、差分コードブックがスケーリングされてもよい。この代替的な実施形態の場合、スケーリング因子は隣接するサブキャリア間のチャネル変動の統計値から算出される。差分コードブックにはスケーリング因子が乗算され、大きさが時間と共に動的に変動するチャネル行列に適用するための予め指定された正規化された差分コードブックが得られる。これらの実施の形態において、Nは送信側の通信局で使用されるアンテナ数を表し、Mは受信側の通信局で使用されるアンテナ数を表す。N及びMは1ないし8又はそれ以上の値の範囲内にある。
【００２８】
２．再帰的な量子化：初期のリファレンス(初期基準値)としてゼロを使用し、リファレンスを更新し差分を量子化することで、第1サブキャリアのチャネル行列が周波数領域で再帰的に量子化される：
リファレンスを更新するために次式が使用される：
^hijk(0)=^hijk-1(0)+^dijk-1(0)
ここで、k=2,．．．,Kであり、kは反復回数のインデックスであり、(0)は第1の量子化サブキャリアのインデックスであり、^hij1(0)=0は差分量子化における初期リファレンスであり、^dijk-1(0)は(k-1)回目の反復に対する量子化された差分(差分量子化値)であり、^hijk(0)はk-1回の反復の後に再構築されたチャネル行列要素(チャネルエントリ)である。
【００２９】
差分は以下の数式に従って量子化される：
^dijk(0)=argmind∈Cd｜hij(0)-^hijk(0)-d｜
ここで、Cdは(例えば、QPSKコンステレーションの信号配置点のような)量子化コードワードの差分コードブックを表す。上記の数式で示されているように、この差分(すなわち、対象の差分コードワード)はリファレンスに加えられ、その合計が現在のチャネルと比較される。この処理は、QPSKコンステレーションの信号配置点各々とチャネル行列要素及びリファレンス間の差分との比較に似ているが、QPSKコンステレーションの信号配置点各々とチャネル行列要素及びリファレンス間の差分との比較は、パフォーマンスの劣化を招いてしまう。
【００３０】
３．チャネル行列要素の量子化：先行するサブキャリアについて再構築されたエントリをリファレンスとして使用し、現在のサブキャリアのチャネルエントリ(チャネル行列要素)は、次のように量子化される。
【００３１】
^dij(f)=argmind∈Cd｜hij(f)-^hijk(f-1)-d｜  及び
^hij(f)=^hij(f-1)+^dij(f)。
【００３２】
４．フィードバック：dijk(0)及び^dijk(f)のインデックスは、^hij(f)(f=1,．．．,F)の再構築のために送信側の通信局202にフィードバックされる。
【００３３】
一実施形態では、従来のコードブック(例えば、IEEE802.11nのコードブック又は64QAMコンステレーション)を用いて第1サブキャリアのチャネル行列を行列要素毎(エントリ毎)に量子化することで、フィードバックオーバーヘッドは更に削減される。
【００３４】
図3は様々なチャネルフィードバック方式によるチャネル容量の比較例を示す。図3は、理想的なフィードバックの場合のチャネル容量302と、(上記の)差分量子化フィードバックの場合のチャネル容量304と、従来の量子化フィードバックの場合のチャネル容量306とを示す。
【００３５】
図3に示されているチャネル容量は、見通し線でない(Non-Line-Of-Sight：NLOS)設定及び4×2のMIMOチャネルにおけるIEEE802.11nのチャネルモデルDを用いている。従来の量子化フィードバック306は、チャネル行列の複素行列要素各々を量子化するために6ビットを使用している。上記の実施の形態による差分量子化フィードバック304は、チャネル行列の行列要素各々に2ビットを使用している。理想的なフィードバックの場合のチャネル容量302は、量子化劣化は一切無く、比較のために示されている。図示されているように、差分量子化フィードバック304は従来の量子化フィードバック306と同様なパフォーマンスを達成できているが、僅か3分の1のフィードバックオーバーヘッドしか必要とせず、複雑さが軽減されている。それらの量子化方式(差分量子化フィードバック304及び従来のフィードバック306)に起因するパフォーマンスの劣化は理想的なフィードバック302に対して2％以内に過ぎない。
【００３６】
＜ビームフォーミング行列の差分フィードバック＞
ビームフォーミング行列のフィードバックオーバーヘッドは、一般に、チャネル行列のフィードバックオーバーヘッドの半分未満なので、ビームフォーミング行列の差分量子化フィードバックを行えばオーバーヘッドを更に削減できる。ビームフォーミング行列の行列要素各々はサブキャリアに関して位相の飛び又は位相フリップ(phase  flip)なしに連続的に変化するので、チャネル行列のスケール量子化がビームフォーミング行列に適用されてもよい。しかしながら、特異値分解(Singular-Value  Decomposition：SVD)を実行するような従来方法により得られるビームフォーミング行列は、位相フリップを有する。位相フリップは受信機のチャネル推定部における平滑化処理(smoothing  process)を阻害し、チャネル推定精度を劣化させる。しかも、SVDの計算は極めて複雑である。
【００３７】
一実施形態によれば、ビームフォーミング行列が時間及び周波数に関して差分量子化される。これらの実施の形態では、ビームフォーミング行列は連続的な位相及び少ないオーバーヘッドと共に簡易に量子化される。実施の形態では、エラーの伝播を防止するために巡回冗長検査(CRC)がフィードバックフレームに付加されてもよい。チャネル行列のスケール量子化とは異なり、ビームフォーミング行列は全体的に一緒に量子化されてもよい。様々な量子化に使用されるリファレンスは、ユニタリである行列であってもよい。これらの実施の形態において、ビームフォーミング行列の一群の候補を生成するために、全ての方向において小さな角度だけリファレンスが回転させられる。候補の行列のパフォーマンスが検討され、最良のパフォーマンスの候補の行列が量子化ビームフォーミング行列として選択される。これは、チャネル行列のSVDを計算する必要性を排除する。パフォーマンスの基準又はメトリックは、チャネル容量、全体的な信号対干渉プラス雑音比(SINR)、ビームフォーミングチャネル行列の行列式の大きさ等であってもよい。
【００３８】
これらの実施形態において、最終的に選択されたビームフォーミング行列は、サンプリングされた次のサブキャリアについてのリファレンスとして使用されてよい。候補数の大きさは変動方向又は摂動方向(perturbation  direction)の数によって決定されるが、サブキャリア当たり6ないし8ビットのフィードバックでビームフォーミングには十分であり、この数値は、例えばIEEE802.11nシステムのような何らかの従来システムの場合、サブキャリア当たりのフィードバックに必要としていた30-60ビットよりも極めて少ない。従って、ビームフォーミングフィードバックのオーバーヘッドは4分の1以下に削減できる。
【００３９】
更に、チャネルは連続的であり、かつ隣接するサブキャリアについての量子化されたビームフォーミング行列は小さな回転の分しか違っていないので、チャネル行列とビームフォーミング行列との積であるビームフォーミング後のチャネルは連続的である。従って、チャネル推定部における平滑化処理は阻害されず、従ってチャネル推定パフォーマンスが改善される。
【００４０】
以下、一実施形態により差分量子化ビームフォーミング行列を生成する方法を説明する。
【００４１】
サンプリングされたf番目のサブキャリアについてのチャネル行列をH(f)とし、サンプリングされたf番目のサブキャリアについての量子化されたビームフォーミング行列を^V(f)とすると、量子化されたビームフォーミング行列の一群の候補は次のようにして更新される：
Q(^V(f-1))=[^V(f-1)  ^V⊥(f-1)]  及び  Vλ(f)=Q(^V(f-1)Dλ
ここで、λ=1，．．．，Lであり、^V⊥(f-1)は^V(f-1)に直交する列を有するM行N-M列のユニタリ行列であり、Lは行列の候補数であって例えば32ないし256までの範囲内にある。
【００４２】
更新される量子化ビームフォーミング行列同士の間の差分は次式により計算される：
D(f)=argmaxD∈CDg(H(f),Q(^V(f-1))D)
ここで、g(A,B)はパフォーマンスメトリックの評価関数である。チャネル容量メトリックの場合、g(A,B)=det(pAB(AB)H+R)であり、pは正規化された送信電力であり、Rは干渉プラス雑音の共分散行列(covariance  matrix)である。
【００４３】
g(A,B)=‖det(AB)‖2
というパフォーマンスメトリックであった場合、第1サブキャリアについての初期リファレンスは恒等行列の最初のM列であってもよい。1回目の差分量子化の後、理想的なビームフォーミング行列と量子化形式のものとの間の残留誤差(すなわち、f=0の場合におけるe(1)(f)=V(f)-^V(1)(f))は大きいかもしれない。再構築されたビームフォーミング行列^V(1)(f)は、量子化誤差を減らすために、同じV(f)を量子化する際のリファレンスとして使用される。これは、チャネル行列のスカラー量子化に適用され、かつ精度を向上させるために最初のサブキャリアだけでなく他のサブキャリアにも適用されてよい。例えば、差分量子化は、上記のチャネル行列の量子化のように、数回(例えば、3-5回)最初のサブキャリアに再帰的に適用されてもよい。他のサブキャリアについては、例えば、差分量子化は反復の各々においてコードワードなしに2回行われてもよい。
【００４４】
一実施形態において、初期ビームフォーミングのチャネル行列の量子化を速やかに収束させるため、複数の量子化コードブックが使用されてもよい。この場合、収束を高速化するために、より大きな修正ステップを伴うコードブックが初期の反復に使用される一方、小さな残留誤差の以後の反復においては小さな修正ステップを伴うコードブックが使用されてもよい。
【００４５】
＜時間領域相関＞
OFDMシステムにおける周波数領域の相関に加えて、時間領域にも強い相関が生じるかもしれない。IEEE802.11acネットワークにおけるOFDMチャネルのコヒーレンス時間(coherence  time)は10ミリ秒(ms)より長くてもよい。一実施形態では、この時間領域相関を活用してフィードバックオーバーヘッドの削減及び/又はビームフォーミング精度の向上を図る。これらの実施形態では、上記の差分量子化方式が時間領域に適用される。差分計算の基礎は、以前の(先行する)チャネル行列又は以前の(先行する)ビームフォーミング行列であってもよい。コヒーレンス時間が長いとSU-MIMOのフィードバックレートは減るので、同様に(従来の)MU-MIMOは有利でない。不正確なビームフォーミングが、SU-MIMOの場合よりも大きくMU-MIMOのパフォーマンスを劣化させてしまうからである。従って、時間領域相関を活用する本実施の形態はMU-MIMOを使用する場合にいっそう適している。なぜなら、小さなフィードバックを頻繁に行うことでパフォーマンスが維持されるからである。
【００４６】
一実施形態では、チャネルの時間変動は通信局104の各々によって異なるのが一般的なので、チャネル状態の変化を検出することで、チャネルフィードバック(図1)が実行、駆動又は起動されてもよい。これらの実施形態において、アクセスポイント102(図1)は、通信局104各々のチャネル状態を監視し、チャネル状態の顕著な変動に基づいてチャネルフィードバック103を動的に要求してもよい。通信局104も、チャネル状態も監視し、変動が大きくなった場合にフィードバックのリクエストを送信してもよい。
【００４７】
一実施形態において、時間及び周波数の少なくとも一方に関してチャネル情報の差分量子化を実行し、差分量子化チャネルフィードバック信号を生成し、MIMO送信信号105のプリコーディングに使用される差分量子化チャネルフィードバック信号を送信側の通信局202に送信することで、OFDMチャネルのチャネルフィードバックを行うように、受信側の通信局204は形成されていてもよい。量子化差分チャネルフィードバック信号は差分が量子化されたチャネル行列又は差分が量子化されたビームフォーミング行列を含んでいてもよい。一実施形態において、チャネル情報の差分量子化は、フィードバックを更に減らすために時間及び周波数の双方に関して実行される。
【００４８】
MIMO送信105は、SU-MIMO送信、MU-MIMO送信又は協調MIMO送信であってもよい。これらの実施形態は閉ループMIMO方式を使用し、閉ループMIMO方式では、差分量子化チャネル行列又は差分量子化ビームフォーミング行列が送信側の通信局202に提供される。協調MIMOの実施形態の場合、様々な通信局104の分散したアンテナである送信/受信アンテナを利用することによる更なる空間多重利得等を含む更なるMIMOの利点が得られる。
【００４９】
差分量子化チャネル行列は行列要素各々につき2ないし4ビットを有し、差分量子化ビームフォーミング行列は行列各々につき2ないし21ビットを有する。行列各々について2ないし21ビットの範囲内のビットを使用するこれらの実施形態は、2×1、2×2、3×1、3×2、．．．、4×2のビームフォーミング行列に適用可能である。8×1、8×2、．．．等のようなより大きなサイズの行列には追加的なビットが使用される。
【００５０】
差分量子化チャネル行列を生成するため、受信側の通信局204は、(1)周波数領域の第1のサブキャリアについてのチャネル行列を正規化し、差分コードブックを用いて、第1のサブキャリアについての正規化されたチャネル行列と初期リファレンス行列との間の差分を再帰的に量子化する、或いは(2)チャネルの振幅(大きさ)に合うように差分コードブックの大きさを調整し(スケーリングし)、スケーリングされた差分コードビックを用いて、第1のサブキャリアのチャネル行列と初期リファレンス行列との間の差分を再帰的に量子化する。差分コードブック各々は限られた範囲内の値(例えば、0.1-0.3)を有するので、差分コードブックは、平均チャネル電力(又は標準偏差)が1であるように正規化されたチャネルについて設定される。最初に、入力チャネルが自動利得制御部(AGC)によりスケールアップされた場合又は増幅された信号強度を有する場合、そのチャネル入力は差分コードブックを適切に適用するためにスケールダウン(減衰)される。実施の形態では、入力チャネルがスケーリングされる或いは差分コードブックがスケーリングされ、チャネル及びコードブックが合致するようにする。差分コードブックのスケーリングは、小さなサイズに起因して少ない乗算で済む。チャネル行列の正規化は、例えば、サブキャリア及びアンテナペアに関する全てのチャネル行列要素から算出された標準偏差で全ての行列要素を除算することを含んでもよい。他の方法を使用してチャネル行列を正規化してもよい。
【００５１】
一実施形態において、再帰的に量子化する処理は、(1)第1のサブキャリアについてのチャネル行列と以前に更新したリファレンス行列との間の差分に基づいて、初期リファレンス行列を何度も反復的に更新し、改善されたリファレンス行列を取得し、(2)以後の改善されたリファレンス行列各々とチャネル行列との間の差分を量子化し、第1のサブキャリアについての量子化インデックスを生成することを含んでもよい。初期リファレンス行列は、最初は、全てがゼロである行列又は恒等行列の第1列を含む行列をなす一定の行列である。量子化インデックスは、チャネル行列の再構築のために送信側の通信局202にフィードバックされる。量子化インデックスはチャネル行列の或る行列要素に対応していてもよい。各々の量子化インデックスは2ないし4ビットであり、従来の量子化の場合の8ないし16ビットよりも非常に少ない。
【００５２】
一実施形態では、受信側の通信局204は、現在のサブキャリアについてのチャネル行列のチャネル行列要素と先行するサブキャリアについて再構築されたチャネル行列要素との間の差分を量子化することで、送信側の通信局202にフィードバックされない現在のサブキャリアについての量子化インデックスを生成する。最初、先行するサブキャリアは第1のサブキャリアである。
【００５３】
周波数に関して差分量子化を実行する際に、現在のサブキャリア及び先行するサブキャリアは、隣接するサブキャリアでなくてもよく、1つ以上のサブキャリアが間に介在して離れていてもよい。そのような実施形態の場合、受信側の通信局204は、間に介在するサブキャリアについて差分量子化を実行することを控えてもよい。4つ以内又はそれ以上の介在するサブキャリアが存在し、近くのサブキャリアのチャネル行列同士の周波数領域相関が使用されてもよい。一実施形態では、一連のサブキャリアサンプルについて時間的に差分量子化が実行されてもよい。一実施形態では、64QAMコンステレーションの従来の量子化コードブックを用いて行列要素毎に先ず第1のサブキャリアについてチャネル行列を量子化するように、受信側の通信局204が形成されていてもよい。
【００５４】
受信側の通信局204が差分量子化ビームフォーミング行列を生成するように軽視されている実施形態の場合、初期のリファレンスビームフォーミング行列を中心としてその周りに差分コードブックによる初期ビームフォーミング行列を回転させることで、受信側の通信局204は量子化されたビームフォーミング行列の一群の候補を生成する。受信側の通信局204は、少なくともいくつかの候補行列のパフォーマンスを評価し、評価したパフォーマンスに基づいて何れかの候補行列を選択してもよい。受信側の通信局204は、(時間に関する差分量子化における)現在のサブキャリア又は(周波数に関する差分量子化における)次のサブキャリアについての以後の反復計算に対する改善されたリファレンス行列として、選択された候補行列を使用してもよい。
【００５５】
周波数に関する差分量子化を実行して量子化されたビームフォーミング行列を生成するために、受信側の通信局204は、選択した候補行列を、次のサブキャリアの差分量子化を行う後続の反復計算のための改善されたリファレンス行列として使用するように形成されている。次のサブキャリアは、前回のサブキャリアから1サブキャリア以上離れていてもよい。
【００５６】
時間に関する差分量子化を実行して量子化されたビームフォーミング行列を生成するために、受信側の通信局204は、選択した候補行列を、同じサブキャリアの後続サンプルの差分量子化を行う後続の反復計算のための改善されたリファレンス行列として使用するように形成されている。
【００５７】
一実施形態は、チャネル行列の差分量子化を実行し、OFDMチャネルによるMIMO通信のための差分量子化ビームフォーミング行列を生成する方法に関連する。本方法は、初期リファレンスビームフォーミング行列を中心としてその周りに差分コードブックによる初期ビームフォーミング行列を回転させることで、量子化されたビームフォーミング行列の候補群を生成する生成ステップと、候補群に属する量子化されたビームフォーミング行列の少なくともいくつかのパフォーマンスを評価する評価ステップと、評価されたパフォーマンスに基づいて量子化されたビームフォーミング行列の何れかの候補を選択する選択ステップと、先行する反復計算により以前選択された量子化されたビームフォーミング行列を後続の反復計算各々に対する改善されたリファレンスビームフォーミング行列として使用することで、前記生成ステップ、前記評価ステップ及び前記選択ステップの更なる反復を実行するステップとを有する方法である。一実施形態では、各サブキャリアについての反復計算に使用される改善されたビームフォーミング行列は、後続の反復計算各々において量子化された一群のビームフォーミング行列を生成する際の初期リファレンスビームフォーミング行列の代わりに使用されてもよい。
【００５８】
要約は、開示された技術的な事項の性質及び要点を読者が把握できることを要約に求めている37C.F.R.セクション1.72(b)に基づいている。特許請求の範囲の目的や意味を解釈したり限定したりするために本説明が使用されてはならないことが理解されるべきである。特許請求の範囲は実施の形態を包含し、各請求項は個々の実施の形態として自立する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５９】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１８１９０８８号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０−００９１８９２号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００８−００４９７０９号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００７−０１９５９７４号明細書
【図１】
0005615976.tif 000002
【図２】
0005615976.tif 000003
【図３】
0005615976.tif 000004